 提示 量子纠缠究竟是什么？——贝尔不等式和贝尔实验的物理机制探讨 吕陈君“量子纠缠”这个假设，源于1935年爱因斯坦和两位合作者提出的EPR思想实验，他是想以此来反驳玻尔。因为根据玻尔的量子力学诠释，一个大粒子衰变成两个小粒子a和b，它们在分开后仍属于一个关联整体，当我们观测到a的矢量态为正时，那么在此瞬间，b就会立即坍塌成负的矢量态，但在观测前，谈论a、b的矢量态是没有意义的。爱因斯坦反对这种观点，他认为a、b分开后就完全没有关联了，其矢量态都是各自确定的，我们对a的观测完全不会影响到对b的观测，怎么可能在观测a的同时，b的状态会瞬间发生改变呢？爱因斯坦把玻尔的这种诠释称之为“幽灵般的超距离作用”，这就是“量子纠缠”这个假设的由来，它成为飘荡在20世纪物理学上空的一个幽灵。 1964年，爱尔兰物理学家J.S.贝尔对EPP思想实验进行了改进，使之变成一个真正可以操作并检测的实验。因为，我们在两个不同的方向a、b上来观测关联粒子的矢量态时，其实不可能去做单个粒子行为的相关性观测，而只能做大量粒子行为的统计学观测。譬如，我们在方向a上观测到粒子的矢量态为正，同时在相反方向b上观测到粒子的矢量态也为正，这两者之间就存在着一个正相关概率函数P(a，b)，贝尔证明了：如果爱因斯坦对，不存在量子纠缠，那么P(a，b)≤2；如果玻尔对，存在量子纠缠，那么P(a，b)≤2就不成立。（实际上，这里是简化版的CHSH贝尔不等式，由四位美国科学家提出，其具体的推导就不讲了。） 但后来的实验结果都非常明显地表明：贝尔不等式不成立。人们就不得不承认：“量子纠缠”这个假设是对的，爱因斯坦错了。也就是说，爱因斯坦认为两个粒子分开后就不再关联的这个“定域性假设”错了，而玻尔认为两个粒子分开后还继续保持着整体性关联的这个“非定域性假设”反倒是对的。这个结果可以说是出乎大家意料的，因为贝尔的本意是想证明玻尔错了。但“非定域性”这个概念很不好理解，所以才出现了那么多稀奇古怪的解释，至今仍未有统一的意见。 非定域性跟“一个光子同时通过两条缝”是一致的，违反了矛盾律，这就导致了理解上的严重困难。人们一旦陷入“量子纠缠”这种诡谲怪异的物理想象中，就会推导出许多匪夷所思的理论结果来，至少人们在经验上都还无法予以理解或证实。如果有人声称科学就是超经验的，甚至神秘的，那我们就无话可说了，但作为真正的科学精神来说，就是要把宇宙奥秘转变成可理解的知识，既要符合逻辑，又要符合经验，这是科学探索的永恒精神源泉。 一旦理论上出现自相矛盾的结果，而且千方百计也无法解决时，我们就需要回过头去，重新去审察建立理论时赖以所需的基本假设是否出了问题，或者是否还有什么更深层次的涵义。我们重新来考察一下贝尔不等式的推导，它其实是基于两条假设： 对称性假设：两个关联粒子a、b分开后，其矢量态分布是对称的，即若观察到a的矢量态为正时，记作|a>=+1，b的矢量态必为负，记作|b>=-1，且叠加态|(a，b)>≡0，反之亦然。 定域性假设：两个关联粒子a、b分开后就不再相关，即对a的测量绝不会影响到对b的测量，反之亦然。 在EPR和贝尔不等式的推导中，上述两个假设都是隐性公理。更直观地讲，对称性假设就是指：当两个关联粒子a、b分开的瞬间，它们都朝着完全相反的方向飞去，其夹角θ=180o。现在实验结果违反了贝尔不等式，人们认为就是定域性假设错了，可为什么不想想：定域性假设没错，而是对称性假设错了呢？也就是说，a、b分开的瞬间是非对称性的，即其夹角θ≠180o。只要θ≠180o，那么P(a，b)的计算也会完全符合量子力学方程，根本用不着引入非定域性这个很难解释的概念。 我们再来详细分析贝尔实验，其基本方法就是：用激光去照射某种金属，让其核外电子发生“原子级联”跃迁，譬如一个电子e受到激发，从能级E1跃迁到能级E3，当能量回落时，e就连续下降两个能级而辐射出两个关联光子v1、v2，然后，我们在相隔较远的不同方向上接收这两个光子，并对它们的矢量状态（譬如自旋）进行测量。 大家都想当然地认为：v1、v2从原子内部辐射出来，在它们分开的那一瞬间，就会沿着完全相反的两个方向飞去，这显然就是对称性假设。但是，人们在此完全忽视了一个事实：受激发的电子e和辐射出来的两个光子v1、v2，这三者才构成一个完整的关联体系，也就是说，叠加态
↑↑↑ |
|
|
